DE4115046A1 - DIRECT SUBSTRATE BONDING - Google Patents

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Abstract

The description relates to a process for producing a solid surface bond between two wafers, at least one of which consists of a semiconductor material, e.g. silicon. The process comprises the following steps: a film residually moistened with solvents and containing silicates or phosphates is applied to the cleaned surface of at least one wafer; both wafer surfaces, at least one of which has had a film applied to it, are brought together; both wafers, joined together, are baked at temperatures below about 420 DEG C.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Her­ stellen einer festen, flächenhaften Verbindung zwischen zwei hochpolierten Waferplatten, von denen mindestens eine aus einem halbleitenden Material, z. B. Silizium, besteht, unter Verwendung einer Zwischenschicht.The invention relates to a method for manufacturing establish a firm, extensive connection between two highly polished wafer plates, at least of which one made of a semiconducting material, e.g. B. silicon, exists, using an intermediate layer.

Auf dem Gebiet der Mikrostrukturen hat sich bei der Herstellung komplexer Mikrosysteme, die meist aus Sen­ soren, Aktoren sowie mikroelektronischen Schaltungen bestehen, eine Technik etabliert, die es gestattet, flächenhafte Verbindungen von Dauer zwischen verschie­ denen Waferplatten zu ermöglichen.In the field of microstructures, the Manufacture of complex microsystems, mostly from Sen sensors, actuators and microelectronic circuits a technology is established that allows  areal connections of duration between different to enable those wafer plates.

Die sogenannte "Bonding-Technik" wird gegenwärtig zwar vornehmlich zur Verbindung von Silizium-Waferplatten verwendet, gleichwohl werden damit auch feste Verbin­ dungen zwischen Waferplatten aus Silizium und aus Iso­ latormaterialen, wie z. B. Glas oder Halbleiteroxide, realisiert.The so-called "bonding technique" is currently used primarily for the connection of silicon wafer plates used, however, it also uses a fixed connection between silicon and iso wafer plates lator materials, such as. B. glass or semiconductor oxides, realized.

Im Vergleich zu den epitaktischen Verfahren, die auf­ grund der zum Teil sehr komplexen und kostspieligen Epitaxieanlagen einen hohen Investitionsaufwand erfor­ dern, gilt hierzu die Herstellung von Halbleiterschich­ tenfolgen durch das Bonding-Verfahren in zunehmendem Maße als eine preisgünstige Alternative.Compared to the epitaxial processes based on due to the sometimes very complex and expensive Epitaxial plants require a high investment the production of semiconductor layers applies consequences of the bonding process are increasing Dimensions as an affordable alternative.

Das Herstellen von Verbindungen zwischen Waferplatten, insbesondere aus Silizium, unterliegt einer starken licher Verbindungstechniken angeboten werden. Bei allen bislang bekannten Bonding-Verfahren bereitet jedoch das Zusammenfügen von Waferplatten, die bereits über mikro­ elektronische Oberflächenstrukturen verfügen, - soge­ nannte prozessierte Waferplatten - große Probleme.Making connections between wafer plates, especially made of silicon, is subject to a strong connection technologies are offered. At all However, the bonding method known to date prepares this Joining wafer plates that are already micro have electronic surface structures - so-called called processed wafer plates - big problems.

So bedarf es während der Temperprozessen bei den be­ kannten Direkt-Substrat-Bond-Verfahren Temperaturen im Bereich zwischen 700°C und 1100°C. Erst diese hohen Temperaturen garantieren fest zusammenhaftende Wafer­ platten, die für die weiterverarbeitenden Arbeits­ schritte eine ausreichende Haftkraft besitzen. Hierzu wird beispielsweise auf die europäische Patentschrift 01 36 050 erwiesen, in der ausdrücklich ausgeführt wird, daß die "zusammenhaftenden" Silizium-Wafer erst bei Temperaturen von mehr als 600°C die notwendige Haft­ kraft erreichen.So it is necessary during the tempering processes at the be knew direct substrate bonding processes temperatures in Range between 700 ° C and 1100 ° C. Only these high ones Temperatures guarantee wafers sticking together plates that work for the finishing steps have sufficient adhesive force. For this For example, the European patent specification 01 36 050 proven, which explicitly states  that the "sticking together" silicon wafer only at Temperatures of more than 600 ° C the necessary detention achieve strength.

Die maximale Temperatur, mit der prozessierte Standard- Silizium-Substrate noch verarbeitet werden können, liegt jedoch bei 420°C.The maximum temperature at which processed standard Silicon substrates can still be processed is however at 420 ° C.

Um Wafer bei niedrigeren Temperaturen verbinden zu können, werden Bonding-Methoden angewendet, die Glas entweder selbst als Substratmaterial oder aber als Zwischenschicht verwenden. Bei dem sogenannten Anodic- Bonding-Verfahren, wird Pyrexglas als Substratmaterial bei etwa 300°C mit einem Silizium-Wafer durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes verbunden. Nachteilig hierbei ist die notwendige Beschränkung auf das Sub­ stratmaterial Pyrexglas, wodurch sich gegenüber der Verwendung von Silizium eine Vielzahl von Prozessen von selbst verbieten (z. B. anisotropes Ätzen, elektrochemi­ scher Ätzstop).To connect wafers at lower temperatures too bonding methods are used, the glass either as substrate material or as Use intermediate layer. With the so-called anodic Bonding process, pyrex glass is used as the substrate material at about 300 ° C with a silicon wafer by applying of a strong electric field. Disadvantageous here is the necessary limitation to the sub stratmaterial Pyrexglas, which is compared to the Silicon use a variety of processes prohibit themselves (e.g. anisotropic etching, electrochemical shear etch stop).

Weiterhin ist bekannt, daß zum Verbinden zweier Silizi­ um-Substrate ebenfalls eine Glasschicht als Zwischen­ schicht verwendet werden kann, die beispielsweise aus Pyrex- oder Bleiglasschichten (Dicke ca. 0,5 bis 5 µm) besteht, die durch Sputtern auf einen der beiden Wafer aufgebracht werden.It is also known that to connect two silicon um substrates also a glass layer as an intermediate layer that can be used, for example Pyrex or lead glass layers (thickness approx. 0.5 to 5 µm) consists of sputtering onto one of the two wafers be applied.

Andererseits finden auch Borsilikatgläser, die über CVD-Prozesse als auch durch Dotierung hergestellt wer­ den, in der Bonding-Technik ihre Anwendung, indem sie auf den unbeschichteten Wafer bei etwa 460°C gepreßt werden. Als problematisch sind hierbei die zu hohe Verarbeitungstemperatur sowie die ausgeprägte Tendenz, auf der Borsilikatglasoberfläche Borsäure auszuschei­ den, wodurch die Waferplattenverbindung unmöglich ge­ macht wird, zu nennen.On the other hand, you can also find borosilicate glasses that over CVD processes as well as by doping their application in bonding technology by pressed onto the uncoated wafer at about 460 ° C will. The too high are problematic here Processing temperature and the pronounced tendency  to extract boric acid on the borosilicate glass surface the, making the wafer plate connection impossible is called.

Alle bekannten Verbindungstechniken nach dem Bonding- Verfahren weisen daher die Nachteile auf, daß jeweils nur spezielle Wafer-Materialkombinationen für die ein­ zelnen Verfahren anwendbar sind, daß die Haftkraft zwischen den Wafer-Platten nur begrenzt den Anforderun­ gen nachgeschalteter Arbeitsprozesse genügt und daß die zum Teil hohen Temperaturen bei den Tempervorgängen von mehr als 420°C die Verbindung prozessualer Wafer-Plat­ ten unmöglich macht. Speziell bei den sogenannten Nie­ drigtemperatur-Verfahren kommt die Einschränkung auf nur ein Substratmaterial sowie die kostspielige und aufwendige Durchführung des Bonding-Prozesses in Be­ tracht.All known connection techniques after the bonding Methods therefore have the disadvantages that only special wafer material combinations for the one individual procedures are applicable that the adhesive force between the wafer plates only limited the requirement downstream processes is sufficient and that the partly high temperatures during the tempering processes of more than 420 ° C the connection of procedural wafer plat makes impossible. Especially with the so-called never pressure-temperature method, the limitation arises just a substrate material as well as the expensive and complex implementation of the bonding process in Be dress.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer festen, flächenhaften Verbindung zwischen zwei hochpolierten Wafer-Platten, von denen mindestens eine aus einem halbleitenden Mate­ rial, z. B. Silizium, besteht, unter Verwendung einer Zwischenschicht anzugeben, das eine möglichst große Haftkraft zwischen den Wafer-Platten gewährleistet und verschiedene Waferplatten-Materialkombinationen zuläßt. Darüber hinaus sind die einzelnen Verfahrensschritte einfach und mit den Mitteln bekannter Arbeitsprinzipien anwendbar, so daß das gesamte Verfahren eine erhebliche Reduzierung der Kosten ermöglicht.The invention is therefore based on the object Process for making a solid, areal Connection between two highly polished wafer plates, at least one of which is made from a semiconducting mate rial, e.g. B. silicon, using one Intermediate layer to indicate the largest possible Guarantees adhesive force between the wafer plates and allows different wafer plate material combinations. In addition, the individual process steps simple and with the means of known working principles applicable so that the whole process is a significant one Allows reduction of costs.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. An inventive solution to this problem is in Claim 1 specified. Developments of the invention are the subject of the subclaims.  

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen einer festen, flächenhaften Verbindung zwischen zwei hochpo­ lierten Wafer-Platten, von denen mindestens eine aus einem halbleitenden Material, z. B. Silizium, besteht, unter Verwendung einer Zwischenschicht angegeben, die sich durch die Kombination folgender Verfahrensschritte auszeichnet:According to the invention, a method for producing a firm, two-dimensional connection between two high-po fused wafer plates, at least one of which a semiconducting material, e.g. B. silicon, specified using an intermediate layer which by combining the following process steps distinguished:

  • 1. Aufbringen eines Flüssigkeitsfilmes, der aus einer wäßrigen Lösung aus Silikaten, z. B. Natrium-Silikat, oder aus Phosphaten, z. B. Aluminium-Phosphat besteht, auf die Oberfläche mindestens einer Wafer-Platte,1. Applying a liquid film that consists of an aqueous solution of silicates, e.g. B. Sodium silicate, or from phosphates, e.g. B. Aluminum phosphate is made on the surface at least one wafer plate,
  • 2. Zusammenfügen der zumindest einseitig mit dem Flüssigkeitsfilm behafteten Wafer-Oberflächen,2. Join the at least one side with the Liquid film-afflicted wafer surfaces,
  • 3. Tempern der Wafer-Plattenanordnung bei Tempera­ turen unter 420°C.3. Annealing the wafer-plate arrangement at tempera doors below 420 ° C.

Die Verfahrensschritte werden im folgenden im einzelnen erläutert:The process steps are detailed below explains:

Voraussetzung für eine dauerhafte und starke Verbindung zwischen den Wafer-Platten ist, wie auch bei allen übrigen bekannten Verfahren, eine hochpolierte Oberflä­ che der sich gegenüberliegenden Wafer-Platten. Diese Wafer mit sehr geringer Partikeldichte werden anschlie­ ßend in einem Reinigungsschritt unter Zuhilfenahme einer Reinigungslösung, wie z. B. Salpetersäure, Pira­ nia-Ätze, Ammoniak-Wasserstoffperoxid, RCA-Reinigung, von oberflächigen Schmutzpartikeln befreit. Die Wafer werden sodann gespült und getrocknet. Hierbei wird im wesentlichen auf bekannte Schleudertechniken zurückge­ griffen.Prerequisite for a permanent and strong connection is between the wafer plates, as with all other known methods, a highly polished surface surface of the opposing wafer plates. These Wafers with a very low particle density are then connected eats in one cleaning step with the help a cleaning solution such as B. nitric acid, pira nia etches, ammonia-hydrogen peroxide, RCA cleaning, freed from surface dirt particles. The wafers are then rinsed and dried. Here is in  essentially based on known spinning techniques grabbed.

Auf einem der beiden Wafer (oder auf beiden Wafern) wird anschließend eine verdünnte wäßrige Lösung von Silikaten oder Phosphaten (z. B. Natriumsilikat, Alumi­ nium-Phosphat) unter Reinraumbedingungen aufgebracht. Dazu wird üblicherweise eine Trockenschleuder verwen­ det, wie sie in der Halbleiterindustrie zum Aufschleu­ dern von Lackschichten benutzt wird. Notwendige Voraus­ setzung ist die Bildung einer homogenen, wäßrigen und sehr dünnen Silikat- oder Phosphatschicht, die eine Dicke von weniger als 100 nm aufweist.On one of the two wafers (or on both wafers) is then a dilute aqueous solution of Silicates or phosphates (e.g. sodium silicate, aluminum nium phosphate) applied under clean room conditions. A spin dryer is usually used for this det, as in the semiconductor industry to slurp used by layers of paint. Necessary advance settlement is the formation of a homogeneous, aqueous and very thin layer of silicate or phosphate, the one Thickness less than 100 nm.

Anschließend werden die beide Wafer bei Raumtemperatur aufeinandergelegt. Die starke Adhäsion der beiden hy­ drophilen Oberflächen sorgt für einen sehr innigen Kontakt der beiden Substrate über die gesamte Oberflä­ che. Bereits die Adhäsionskräfte zwischen den beiden Wafern reichen als Fixierung der beiden Wafer völlig aus und machen ein Verschieben der beiden Oberflächen gegeneinander unmöglich.Then the two wafers are at room temperature laid on top of each other. The strong adhesion of the two hy drophilic surfaces ensure a very intimate Contact of the two substrates over the entire surface che. Already the adhesive forces between the two Wafers are sufficient to fix the two wafers and move the two surfaces against each other impossible.

Die weitere Handhabung der beiden gebondeten Wafer gestaltet sich dadurch einfach. Als besonders zweckmä­ ßig hat sich erwiesen, die Wafer zunächst nach ihrer Fixierung bei Raumtemperatur zu lagern und dann erst zu tempern. Üblicherweise erfolgt die Temperung zwischen 200°C bis 300°C (wenn Silikate benutzt werden) bzw. zwischen 300°C und 420°C (für Phosphate) in einem Ofen. Die Temperung sorgt für ein Abbinden der Zwischen­ schichten. Das dabei freiwerdende Wasser kann von der Silizium- oder Siliziumoxid-Oberfläche des Silizium-Wafers aufgenommen und chemisch gebunden werden. Dieser Vorgang funktioniert allerdings nur an dünnen Schichten zuverlässig, da andernfalls ein zu großes Wasserangebot zu einer Blasenbildung führt.The further handling of the two bonded wafers this makes it easy. As particularly expedient It has been shown that the wafers are initially based on their Store fixation at room temperature and only then anneal. The tempering usually takes place between 200 ° C to 300 ° C (if silicates are used) or between 300 ° C and 420 ° C (for phosphates) in an oven. The tempering ensures that the intermediate bonds layers. The water released in the process can Silicon or silicon oxide surface of the silicon wafer be absorbed and chemically bound. This  The process only works on thin layers reliable, otherwise there would be too much water available leads to blistering.

Durch die Ausbildung einer sehr dünnen Zwischenschicht werden zudem keine nennenswerte mechanische Spannungen hervorgerufen. Die so entstandene Verbindung zeichnet sich sowohl durch eine hohe mechanische Festigkeit, als auch durch eine große mechanische und chemische Bestän­ digkeit aus. Messungen haben ergeben, daß die mechani­ sche Haftkraft im Bereich zwischen 250 und 300 kg/cm2 liegt. Diese überaus hohen Haftkräfte ermöglichen somit eine problemlose Weiterbearbeitung der Wafer-Platten für die Herstellung von z. B. hochkomplexen Mikrostruk­ turen oder Sensoren oder dgl. mehr.The formation of a very thin intermediate layer also causes no significant mechanical stresses. The resulting connection is characterized by a high mechanical strength as well as a high mechanical and chemical resistance. Measurements have shown that the mechanical adhesive force is in the range between 250 and 300 kg / cm 2 . These extremely high adhesive forces thus enable easy further processing of the wafer plates for the production of z. B. highly complex microstructures or sensors or the like. More.

Bereits bei Temperaturen von ca. 200°C bis 300°C sind die erreichten Verbindungen außerordentlich fest, so daß dies Möglichkeiten eröffnet, Substrate unterschied­ lichster Art zu verbinden, insbesondere solche, die ein unterschiedliches Temperaturverhalten zeigen. Bei­ spielsweise können auf diesem Weg Verbindungen zwischen Wafern aus Silizium und Quarzglas hergestellt werden. Ebenso sind Verbindungen mit anderen halbleitenden Materialien oder optisch aktiven Materialien wie z. B. Lithiumniobat denkbar. Letzteres erfordert jedoch eine Oxid-Zwischenschicht, die z. B. aus einem Spin-on-Glas bestehen kann.Are already at temperatures of approx. 200 ° C to 300 ° C the connections achieved are extremely firm, so that this opens up possibilities to differentiate substrates of the simplest kind, especially those that connect show different temperature behavior. At for example, connections between Wafers are made from silicon and quartz glass. Likewise, connections with other semiconducting ones Materials or optically active materials such. B. Lithium niobate conceivable. However, the latter requires one Oxide intermediate layer, the z. B. from a spin-on glass can exist.

Claims (15)

1. Verfahren zum Herstellen einer festen, flächenhaf­ ten Verbindung zwischen zwei hochpolierten Waferplat­ ten, von denen mindestens eine aus einem halbleitenden Material, z. B. Silizium, besteht, unter Verwendung einer Zwischenschicht, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Verfah­ rensschritte:
  • - Aufbringen eines Flüssigkeitsfilmes, der aus einer wäßrigen Lösung aus Silikaten oder aus Phosphaten, besteht, auf die gereinigte Oberfläche mindestens einer Waferplatte,
  • - Zusammenfügen der zumindest einseitig mit dem Flüs­ sig keitsfilm behafteten Waferoberflächen,
  • - Tempern der Waferplattenanordnung bei Temperaturen unter 420°C.
1. A method for producing a solid, areal connection between two highly polished wafer plates, at least one of which is made of a semiconducting material, e.g. B. silicon, using an intermediate layer, characterized by the combination of the following procedural steps:
  • Applying a liquid film, which consists of an aqueous solution of silicates or of phosphates, to the cleaned surface of at least one wafer plate,
  • - Joining the wafer surfaces at least on one side with the liquid film,
  • - Annealing the wafer plate arrangement at temperatures below 420 ° C.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des Films maximal 100 nm beträgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the layer thickness of the film is a maximum of 100 nm. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Temper­ vorganges bei Verwendung von Silikatlösungen zwischen 150°C und 300°C, bzw. bei Verwendung von Phosphatlösun­ gen zwischen 300°C und 420°C liegt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the temperature of the temper process when using silicate solutions between 150 ° C and 300 ° C, or when using phosphate solution gen is between 300 ° C and 420 ° C. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Waferoberflächen vor Aufbringen des Flüssigkeitsfilms gereinigt und getrock­ net werden. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the wafer surfaces in front Application of the liquid film cleaned and dry be net.   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinandergelegten Waferplatten vor dem Tempervorgang ca. 24 Stunden bei Raumtemperatur gelagert werden.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the superimposed Wafer plates before tempering for about 24 hours Be stored at room temperature. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Waferplatten metalli­ sierte Bereiche aufweisen.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the wafer plates metalli exhibit areas. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Waferplattenkombiantion zweier Waferplaten aus einem Silizium- und aus einem Quarzglaswafer besteht.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the wafer plate combination two wafer plates made of one silicon and one Quartz glass wafer exists. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Waferplattenkombination zweier Waferplatten aus einem Silizium- und einem GaAs-Wafer besteht.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the wafer plate combination two wafer plates made of a silicon and a GaAs wafer consists. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Waferplattenkombination zweier Waferplatten aus einem Silizium- und einem InP-Wafer besteht.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the wafer plate combination two wafer plates made of a silicon and an InP wafer consists. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Waferplattenkombination zweier Waferplatten aus einem halbleitenden Wafermate­ rial und einem Wafer aus optisch aktivem Material, z. B. Lithiumniobat, besteht.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the wafer plate combination two wafer plates made from a semiconducting wafer mat rial and a wafer of optically active material, eg. B. Lithium niobate. 11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Waferplatten­ kombination eine Oxidzwischenschicht vorgesehen ist. 11. The method according to claim 8, characterized in that between the wafer plates combination an oxide intermediate layer is provided.   12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidzwischenschicht ein Spin-on-Glas ist.12. The method according to claim 11, characterized in that the intermediate oxide layer Spin-on glass is. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung aus Silikaten aus Natriumsilikat besteht.13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the aqueous solution Silicates made of sodium silicate. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Lösung aus Phosphaten aus Aluminiumphosphat besteht.14. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the aqueous solution Phosphates consist of aluminum phosphate. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die, unmittelbar nach dem Zusammenfügen der Waferplatten durch den Flüssigkeits­ film verursachten Haftkräfte jegliche Waferverzüge ausgleichen.15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that the immediately after the Assembly of the wafer plates by the liquid adhesive forces caused any wafer warping compensate.
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